Un capteur piézoélectrique est un appareil qui mesure la pression ou la contrainte à l’aide de la piézoélectricité, un phénomène dans lequel certains matériaux peuvent générer un courant électrique lorsqu’ils sont déformés. Ainsi un capteur piézoélectrique peut convertir une force exercée sur lui par compression, impact, accélération ou vibration en un signal électrique dont la force est proportionnelle à la force de la force. Il existe un certain nombre de matériaux naturels qui démontrent cet effet, notamment le quartz et la tourmaline. Les matériaux piézoélectriques peuvent également être synthétisés industriellement. Les matériaux piézoélectriques synthétiques peuvent être des matériaux monocristallins similaires aux cristaux naturels mais avec des propriétés améliorées, tels que les cristaux de phosphate de gallium ; les matériaux piézocéramiques tels que le titanate de zirconate de plomb (PZT), qui peuvent être fabriqués à moindre coût par frittage, ou par chauffage d’ingrédients en poudre dans un four ; et des polymères tels que le fluorure de polyvinylidène (PVDF) qui peuvent être transformés en films minces et flexibles.
Le signal électrique généré par les capteurs piézoélectriques chute rapidement après la première application de la force. Cela signifie qu’ils ne sont pas adaptés à la mesure d’une force statique ; cependant, ils sont excellents pour mesurer des forces de très courte durée, telles que les forces d’impact. Les capteurs monocristallins et piézocéramiques sont très rigides et ont une fréquence naturelle très élevée. La fréquence naturelle d’un capteur impose des limites à ses utilisations, car des erreurs de mesure se produiront lorsque la fréquence de la vibration à mesurer est proche de celle du capteur. Cependant, la fréquence naturelle élevée d’un capteur piézoélectrique lui permet de mesurer avec précision des fréquences très élevées. Cela signifie qu’il peut être utilisé pour détecter des modèles de vibration inhabituels qui pourraient être causés par des défauts de matériaux et de composants.
La grande rigidité des capteurs monocristallins et piézocéramiques signifie qu’ils ont souvent des propriétés physiques similaires à celles des matériaux, tels que l’acier, à partir desquels les outils et les machines sont fabriqués. Les capteurs peuvent donc être incorporés dans des outils et des machines dans le cadre de leur structure, de sorte qu’ils puissent être construits avec des capteurs intégrés. Ce type de capteur piézoélectrique est également très robuste, capable de supporter de fortes forces d’impact et de fonctionner efficacement à des températures élevées, et est utilisé dans de nombreuses applications industrielles pour mesurer la pression et la contrainte sur les matériaux. Ils peuvent également être utilisés pour mesurer l’accélération – lorsqu’un objet accélère, il exerce une force dans la direction opposée qui peut être mesurée par un capteur.
Les capteurs piézoélectriques ont un large éventail d’autres applications. Une application courante est dans les microphones, où la force exercée par les ondes sonores est convertie en signaux électriques et enregistrée ou amplifiée. Les matériaux piézoélectriques flexibles et légers tels que le PVDF peuvent être utilisés dans les écrans tactiles et les tablettes tactiles, et ont également des applications dans la recherche scientifique. Par exemple, de minuscules capteurs peuvent être attachés à de petits animaux et même à des insectes pour surveiller leur activité et leur comportement.